CN110144920B - 双变量双泵旋喷防渗帷幕成墙装置及其施工方法 - Google Patents

Abstract

为了解决现有技术中防渗帷幕旋喷技术施工效率低以及成型厚度达不到要求的问题，本发明提供了一种双变量双泵旋喷防渗帷幕成墙装置及其施工方法，其中，双变量双泵旋喷防渗帷幕成墙装置，在现有的双高压旋喷设备的基础上增加了控制旋喷管在不同角度范围内变角速运动的变角速动力头、控制高压水喷射口在不同角度范围内高压水的压力和流量的高压水调节装置，使高压水泥浆在旋喷过程中不同角度范围内旋喷时间的长度不同，从而形成特定形状和厚度的防渗墙，使高压水在旋喷过程中根据所要成墙的形状和厚度调整高压水的水压和流量，达到提高效率的同时，不会造成防渗帷幕过厚的情况。

Description

双变量双泵旋喷防渗帷幕成墙装置及其施工方法

技术领域

本发明涉及建筑技术领域，特别涉及双变量双泵旋喷防渗帷幕成墙装置及其施工方法。

背景技术

目前现有技术中已经公开的变角速旋喷防渗帷幕采用单泵系统（一台高压水泵）其旋喷管的提升速度限定在10~20cm/min，施工效率低下；如果采用双泵高压旋喷技术，即同时采用高压水泵和高压泥浆泵作业，确实能达到提高喷射效率的结果，但从变角速旋喷防渗帷幕的施工原理来看，旋喷管在360°范围内变角速旋喷，即沿防渗帷幕轴线方向的角速度减慢，而转向垂直于轴线方向的角速度加快，使其平面形成长厚比较大的板状固结体，因此如果在变角速旋喷防渗帷幕的施工中采用双泵高压系统，那么就会产生双高压叠加喷射效应，导致防渗墙局部墙体过厚，无法控制需要的帷幕厚度，达不到变角速旋喷防渗墙帷幕的施工效果。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种双变量双泵旋喷防渗帷幕成墙装置及其施工方法，采用的技术方案如下：

双变量双泵旋喷防渗帷幕成墙装置，包括双高压旋喷设备，所述双高压旋喷设备由旋喷管、连接于旋喷管上方的回转接头和提升机构、与回转接头通过管道相连的高压水泵、高压水泥浆泵以及空气压缩机组成，所述旋喷管上设有高压水喷射孔和高压水泥浆喷射孔，其特征在于，所述双高压旋喷设备的回转接头与提升机构之间连接有可在360⁰角度范围内做变角速运动的变角速动力头，所述高压水泵与旋喷管之间的输送管上设有用于调节回转接头上高压水喷射孔处的水压和水量的高压水调节装置，变角速动力头上部设有角度传感器，此外还包括PLC控制系统，所述角度传感器与PLC控制系统信号输入端相连，所述高压水调节装置与PLC控制系统信号输出端相连，所述PLC控制系统通过角度传感器信号控制旋喷管在不同角度高压射流的时间长短，同时控制高压水调节装置调节进入喷射管内的高压水的水压和流量，当旋喷管转向垂直于帷幕轴线方向时，PLC控制系统接收到角度传感器的信号后控制高压水调节装置，将管路中的压力和流量部分释放，喷嘴处的高压射流强度减弱。

优选的，所述高压水调节装置包括与高压水输送管相连的三通管、与三通管出水口相连的电磁阀，所述三通管进口与高压水泵出水口相连，三通管第一出口与旋喷管上的高压水进水口相连，所述电磁阀为常闭的开关阀并且连接于三通管第二出口处，电磁阀与PLC控制系统的信号输出端相连。

优选的，所述电磁阀出口连接有节流管接头，所述节流管内设有节流孔，并且节流管与用于供水的水箱通过排水管相连。

优选的，所述电磁阀与节流管之间形成的背压小于等于10MPa。

双变量双泵旋喷防渗帷幕施工方法，施工方法基于双变量双泵旋喷防渗帷幕成墙装置进行实施，施工方法包括以下步骤：

A、根据防渗帷幕确定施工路线进行定位、放线；

B、采用常规钻机预钻孔，孔径、孔深和钻孔垂直度均应满足设计要求；

C、台车就位，依次启动高压水泵、高压水泥浆泵和空气压缩机，检视介质喷射正常后，将旋喷管下入钻孔后，再依次启动变角速动力头和提升机构；

D、变角速动力头驱动旋喷管在360°范围内变角速度旋喷，并在上述角度范围内借助PLC控制系统，根据所要成墙的形状和厚度控制高压水调节装置实现变压力、变流量运行；

E、旋喷管在提升机构的驱动下，提升至设计帷幕高度，即完成一段帷幕的施工；按两序孔的顺序施工，完成全部防渗帷幕的施工。

优选的，步骤A中，喷射孔距的确定根据施工地的土层岩性特点和喷射参数确定，喷射孔距为传统旋喷桩帷幕的2~3倍。

优选的，步骤B中，采用钻机预钻孔，钻机就位与设计位置偏差小于5cm，钻孔内径大于旋喷管的外径；孔深为防渗墙或防渗帷幕的深度；成孔垂直度偏差在1%内。

优选的，步骤C中，启动高压水泵、空气压缩机和高压水泥浆泵；高压水泵中，水压力35MPa-40MPa、流量75L/min-100L/min；空气压缩机中，空气压力0.7MPa-1.0MPa、流量2m³/min-3m³/min；高压水泥浆泵中，水泥浆液压力30MPa-35MPa、流量75L/min-100L/min。

优选的，所述步骤D中，当沿帷幕轴线方向时，双泵同时全功率喷射介质，当旋喷管转向垂直于帷幕轴线方向时，PLC控制系统接收到角度传感器的信号后控制高压水调节装置，将管路中的压力和流量部分释放，喷嘴处的高压射流强度减弱。

本发明的有益效果在于：

1、旋喷管在360°范围内变角速旋喷的同时通过在高压水供水管路中设置的电磁阀控制供水通路中的流量和压力，使双泵中的高压水泵根据需要可在360°范围内做变压力变流量喷射，旋喷管上层喷射孔同轴喷射高压水和压缩空气，下层喷射孔同轴喷射高压水泥浆和压缩空气，即在防渗帷幕轴线方向高压水泵可与高压泥浆泵同时同方向喷射不同介质，实现叠加射流效应，在转向垂直于帷幕轴线方向上，角度传感器发出信号后PLC控制系统控制供水管路中的高压水调节装置，使旋喷管喷射嘴处的水压力和水流量降低，大大减弱其射流作用；

2、电磁阀通过节流方法在供水管路中形成一定的背压，以降低高压水泵和电机因负荷变化幅度过大而发生的冲击；

3、与变角速（单泵）旋喷防渗帷幕相比，只增加一台高压泥浆泵设备，而水电、水泥的成本并不增加，可提高一倍的施工效率，加快了施工进度，而与传统的旋喷桩防渗帷幕施工技术相比，可提高四倍的施工效率（达到了一台设备顶四台设备的效果），并大幅度降低工程造价，同时可节约近50%的水泥，目前国内深基坑支护防渗帷幕工程量大面广，本发明具有广阔的推广应用前景，经济效益和社会效益巨大，符合国家节能减排政策。

附图说明

图1为双变量双泵旋喷防渗帷幕施工装置结构示意图

图2为电磁阀、节流管接头以及排水管连接关系示意图

其中，1-旋喷管，101-高压水喷射孔，102-高压水泥浆喷射孔，2-回转接头，3-变角速动力头，301-齿轮箱，302-动力装置，303-角度传感器，4-提升机构，5-高压水泵，6-高压水泥浆泵，7-空气压缩机，8-水箱，9-泥浆池，10-储气罐，11-三通管，12-电磁阀，13-PLC控制系统，14-节流管接头，1401-节流孔，15-排水管，16-连接螺母，17密封垫圈。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1-2所示的双变量旋喷防渗帷幕的施工装置，主要包括双高压旋喷设备、PLC控制系统13，其中双高压旋喷设备主要由旋喷管1、回转接头2、提升机构4、高压水泵5、高压水泥浆泵6、压缩空气机7，旋喷管1的下部自下而上设有两排对称分布的高压水泥浆喷射孔102和高压水喷射孔101，高压水喷射孔101内可喷射出高压水和压缩空气，高压水泥浆喷射孔102内可以喷射出高压水泥浆和压缩空气，回转接头2和提升机构4之间设有可在360°范围内变角速旋喷的变角速动力头3，变角速动力头3由齿轮箱301和动力装置302组成；齿轮箱301为减速齿轮箱，动力装置302为大贯量伺服电动机，电动机的输出端连接于减速齿轮箱，减速齿轮箱的输出端连接于旋喷管1，PLC控制器13控制电动机转速进而控制旋喷管1的转速。

本实施例中，采用双变量双高压旋喷设备为基础，如图1所示，在回转接头2的侧面上设有高压水进水口、高压泥浆进水口以及压缩空气进气口，并且在高压水进水口与高压水泵5出水口之间连接的输水管道上设围有三通管11，所述三通管11的进水口与高压水泵5出水口相连，第一出水口与回转接头2的高压水进水口相连，第二出水口连接有一电磁阀12，所述电磁阀12的出水口连接有节流管接头14，节流管接头14通过连接螺母16与排水管17相连，所述排水管17另一端和为高压水泵5供水的水箱8相连，所述电磁阀12采用常闭式开关电磁阀，节流管接头14内设有节流孔1401，三者的连接结构示意图如图2所示，通过电磁阀12设置的节流管接头14，从而在供水水管路中形成一定的背压，以降低高压水泵5和电机因负荷变化幅度过大而发生的冲击，在变角速动力头3上设有角度传感器303，此外，还包括PLC控制系统13，所述PLC控制系统13信号输入端与角度传感器303相连，信号输出端13与高压水泵5、高压水泥泵6、空气压缩机7、电磁阀12、动力装置301相连，PLC控制系统13可根据角度传感器303测得的旋喷管1的旋转角度，通过PLC控制系统13控制变角速动力头3控制旋喷管1在不同角度高压射流的时间长短，能够较精确地在一定范内调整成墙的厚度和形状，PLC控制系统13根据角度传感器303测得的旋喷管1的旋转角度来控制电磁阀12的开启和关闭，从而在不同的角度范围内调节高压水的流量和压力，通过变角速动力头3和高压水调节装置的配合，从而达到在加快施工效率的同时，又不会因为高压水和高压水泥浆介质的双重旋喷导致成墙厚度过厚，此外，节流管接头14的设置在供水管路中形成一定的背压，降低了高压水泵5和电机因负荷变化幅度过大而发生的冲击。

根据上述装置，双变量双泵旋喷防渗帷幕施工方法如下：

A、根据防渗帷幕确定施工路线进行定位、放线；

B、采用常规钻机预钻孔，孔径、孔深和钻孔垂直度均应满足设计要求；

C、台车就位，依次启动高压水泵5、高压水泥浆泵6和空气压缩机7，检视介质喷射正常后，将旋喷管1下入钻孔后，再依次启动变角速动力头3和提升机构4；

D、变角速动力头3驱动旋喷管1在360°范围内做变角速度旋喷，并在上述角度范围内借助角度传感器303、PLC控制系统13来控制电磁阀12的开闭，实现变压力、变流量运行；

E、旋喷管1在提升机构4的驱动下，提升至设计帷幕高度，即完成一段帷幕的施工；按两序孔的顺序施工，完成全部防渗帷幕的施工。

优化的，步骤A中，喷射孔距的确定根据施工场地的土层岩性特点确定，本发明所确定的喷射孔距是传统旋喷桩帷幕的2~3倍，因此可大大减少工程量。

优化的，步骤B中，采用钻机预钻孔，钻孔内径大于旋喷管1的外径；孔深为防渗墙或防渗帷幕的深度；成孔垂直度偏差在1%内。

优化的，步C中，启动高压水泵5、空气压缩机7和高压水泥浆泵6；高压水泵5中，水压力35MPa-40MPa、流量75L/min-100L/min；空气压缩机7中，空气压力0.7MPa-1.0MPa、流量2m³/min-3m³/min；高压水泥浆泵6中，水泥浆液压力30MPa-35MPa、流量75L/min-100L/min；

优化的，步骤D中，变角速动力头3在变角速转动过程的同时，PLC控制系统13根据所要成墙的形状厚度等，在特定的角度范围内控制电磁阀12的开启和关闭，当旋喷管1转向垂直于帷幕轴线方向上时，PLC控制系统13接受安装于动力头上的角度传感器303发出的信号，控制位于供水管路中的电磁阀12开启，导致旋喷管1喷嘴处的水压力和水流量降低，大大减弱其射流作用，并且电磁阀12与节流管接头14所形成的背压小于等于10MPa。

以某城市综合管廊深基坑防渗帷幕工程为例，基坑开挖深度为8-9米，设计防渗帷幕深度为13m，在防渗帷幕深度范围内，按岩性特点分为5层：分别为耕植土、粉质粘土、粉土、粉质粘土、粘土。土层一般为软~可塑状态，地下水位埋深约为2m。主要施工参数设计如下：采用双变量双泵施工工艺，高压水压力35MPa、流量75L/min、空气压力0.7MPa，流量1.2m³/min；水泥浆液压力30MPa、流量75L/min；旋喷管提升速度达到了40cm/min，与已公开的变角速（单泵）旋喷防渗帷幕相比，旋喷管的提升速度快了一倍。在上述施工参数的条件下，地基土中形成的单幅墙体平面形状长度为1.6m、平均厚度为0.5m。

与变角速（单泵）旋喷防渗帷幕相比，只增加了一台高压泥浆泵设备的折旧费，而水电、水泥的成本并不增加，可提高一倍的施工效率，达到一台设备顶两台设备的效果，加快了施工进度，本发明与传统的旋喷桩防渗帷幕施工技术相比，可提高4倍的施工效率（达到了一台设备顶四台设备的效果），并大幅度降低工程造价，同时可节约40%~50%的水泥。目前国内深基坑支护防渗帷幕工程量大面广，本发明具有广阔的推广应用前景，经济效益和社会效益巨大，符合国家节能减排政策。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可做出若干改进，这些改进也应视为本发明保护范围。

Claims (9)

1.双变量双泵旋喷防渗帷幕成墙装置，包括双高压旋喷设备，所述双高压旋喷设备由旋喷管、连接于旋喷管上方的回转接头和提升机构、与回转接头通过管道相连的高压水泵、高压水泥浆泵以及空气压缩机组成，所述旋喷管上设有高压水喷射孔和高压水泥浆喷射孔，其特征在于，所述双高压旋喷设备的回转接头与提升机构之间连接有可在360⁰角度范围内做变角速运动的变角速动力头，所述高压水泵与旋喷管之间的输送管上设有用于调节回转接头上高压水喷射孔处的水压和水量的高压水调节装置，变角速动力头上部设有角度传感器，此外还包括PLC控制系统，所述角度传感器与PLC控制系统信号输入端相连，所述高压水调节装置与PLC控制系统信号输出端相连，所述PLC控制系统通过角度传感器信号控制旋喷管在不同角度高压射流的时间长短，同时控制高压水调节装置调节进入喷射管内的高压水的水压和流量，当旋喷管转向垂直于帷幕轴线方向时，PLC控制系统接收到角度传感器的信号后控制高压水调节装置，将管路中的压力和流量部分释放，喷嘴处的高压射流强度减弱。

2.根据权利要求1所述的双变量双泵旋喷防渗帷幕成墙装置，其特征在于，所述高压水调节装置包括与高压水输送管相连的三通管、与三通管出水口相连的电磁阀，所述三通管进口与高压水泵出水口相连，三通管第一出口与旋喷管上的高压水进水口相连，所述电磁阀为常闭的开关阀并且连接于三通管第二出口处，电磁阀与PLC控制系统的信号输出端相连。

3.根据权利要求2所述的双变量双泵旋喷防渗帷幕成墙装置，其特征在于，所述电磁阀出口连接有节流管接头，所述节流管内设有节流孔，并且节流管与用于供水的水箱通过排水管相连。

4.根据权利要求3所述的双变量双泵旋喷防渗帷幕成墙装置，其特征在于，所述电磁阀与节流管接头之间形成的背压小于等于10MPa。

5.双变量双泵旋喷防渗帷幕施工方法，施工方法基于如权利要求1所述的双变量双泵旋喷防渗帷幕成墙装置进行实施，施工方法包括以下步骤：

A、根据防渗帷幕确定施工路线进行定位、放线；

B、采用常规钻机预钻孔，孔径、孔深和钻孔垂直度均应满足设计要求；

C、台车就位，依次启动高压水泵、高压水泥浆泵和空气压缩机，检视介质喷射正常后，将旋喷管下入钻孔后，再依次启动变角速动力头和提升机构；

D、变角速动力头驱动旋喷管在360°范围内变角速旋喷，并在上述角度范围内借助PLC控制系统，根据所要成墙的形状和厚度控制高压水调节装置实现变压力、变流量运行；

E、旋喷管在提升机构的驱动下，提升至设计帷幕高度，即完成一段帷幕的施工，按两序孔的顺序施工，完成全部防渗帷幕的施工。

6.根据权利要求5所述的双变量双泵旋喷防渗帷幕成墙方法，其特征在于，步骤A中，喷射孔距的确定根据施工地的土层岩性特点和喷射参数确定，喷射孔距为传统旋喷桩帷幕的2~3倍。

7.根据权利要求5所述的双变量双泵旋喷防渗帷幕成墙方法，其特征在于，步骤B中，采用钻机预钻孔，钻机就位与设计位置偏差小于5cm，钻孔内径大于旋喷管的外径；孔深为防渗墙或防渗帷幕的深度；成孔垂直度偏差在1%内。

8.根据权利要求5所述的双变量双泵旋喷防渗帷幕成墙方法，其特征在于，步骤C中，启动高压水泵、空气压缩机和高压水泥浆泵；高压水泵中，水压力35MPa-40MPa、流量75L/min-100L/min；空气压缩机中，空气压力0.7MPa-1.0MPa、流量2m³/min-3m³/min；高压水泥浆泵中，水泥浆液压力30MPa-35MPa、流量75L/min-100L/min。

9.根据权利要求5所述的双变量双泵旋喷防渗帷幕成墙方法，其特征在于，所述步骤D中，当沿帷幕轴线方向时，双泵同时全功率喷射介质，当旋喷管转向垂直于帷幕轴线方向时，PLC控制系统接收到角度传感器的信号后控制高压水调节装置，将管路中的压力和流量部分释放，喷嘴处的高压射流强度减弱。